JP2014179301A - 電力用ガス絶縁機器及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁媒体としてＣＯ_２ガスを用いた電力用ガス絶縁機器において、ＣＯ_２ガスの還元により発生したＣＯガスを除去し、安全に点検保守を実施できる環境調和型の電力用ガス絶縁機器を提供する。
【解決手段】実施形態の電力用ガス絶縁機器は、密閉容器内に消弧性ガスとして二酸化炭素ガス又は二酸化炭素ガスを含む混合ガスを充填するとともに、当該密閉容器内に一対の接点を配置し、通電時には両者を接触状態に保つことで通電を行い、電流遮断時には接点を乖離させて前記絶縁ガス中にアーク放電を発生させ、そのアーク放電を消弧することで電流を遮断せしめるよう構成され、前記密閉容器内の、アーク放電に起因した熱流が接触する箇所に金属酸化物を配設している。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電力用ガス絶縁機器及びその運転方法に関する。

電力の送配電・変電システムにおいては、絶縁媒体として六弗化硫黄（以下、ＳＦ_６）ガスを利用した、ガス絶縁開閉装置、ガス遮断器、ガス断路器、ガス絶縁変圧器、ガス絶縁送電管などの様々な機器が使用されている。これらの機器においては、ＳＦ_６ガスを高電圧絶縁媒体のみならず、通電時の発熱を対流により冷却する冷却媒体としてや、ガス遮断器、ガス断路器など電流開閉を伴う機器においては、開閉動作時に発生するアーク放電を消滅させる消弧媒体としても機能させている。

ＳＦ_６ガスは非常に安定した不活性なガスであり、無毒、不燃性であると同時に、電気絶縁性能、および放電を消滅させる性能（以下、消弧性能）に極めて優れたガスであり、送配電・変電機器の高性能化、コンパクト化に大きく寄与している。

しかしながら、高い地球温暖化作用を有することが知られており、近年その使用量の削減が望まれている。地球温暖化作用の大きさは一般に地球温暖化係数、すなわちＣＯ_２ガスを１とした場合の相対値により表され、ＳＦ_６ガスの地球温暖化係数は２３、９００に及ぶことが知られている。

上記の背景で、送配電・変電用機器における絶縁ガスとしてＳＦ_６の代わりに二酸化炭素（以下、ＣＯ_２）ガスを適用することが提案されている（非特許文献１参照）。ＣＯ_２ガスは地球温暖化作用がＳＦ_６ガスに比べて２３、９００分の１と非常に小さいため、ＣＯ_２ガスをＳＦ_６ガスの代わりに送配電・変電用機器に適用することで、地球温暖化への影響を大幅に抑制することが可能である。

また、ＣＯ_２ガスの絶縁性能および消弧性能はＳＦ_６ガスに比べると劣るものの、ＳＦ_６ガスが電力用ガス絶縁機器に適用される以前に絶縁、消弧媒体として主に使用していた空気に比べると消弧性能ははるかに優れ、また絶縁性能も同等かそれ以上であることが知られている。すなわち、ＣＯ_２ガスをＳＦ_６ガスの代わりに適用することで、概ね良好な性能を有し、かつ地球温暖化への影響を抑制した環境に優しい送配電・変電用機器を提供することが可能である。

ところで、ガス遮断器やガス断路器などのように、その機能として電流開閉を伴う機器は、その動作にともない必然的に密閉容器内ではアーク放電が発生する。密閉容器内でアーク放電が生じた場合には、密閉容器内に充填したガスは放電過程においてプラズマ化し、分子の還元、再結合が生じる。

従来変電機器に使用されているＳＦ_６ガスは非常に安定した分子構造であるので、放電によりひとたび分子が還元しても、通常の環境ではほとんどが元のＳＦ_６分子へと再結合することが知られている。一方、アーク放電により還元したＣＯ_２は元のＣＯ_２へと再結合し難く、一酸化炭素（ＣＯ）ガスと酸素ガスとに還元してしまう。酸素ガスは、密閉容器内の例えば銅や鉄などの金属と酸化反応して消費されるが、有毒ガスであるＣＯガスは残存してしまう可能性がある。

ＣＯガスが残存していると、ガス遮断器など電流開閉を行うＣＯ_２ガス絶縁機器の内部点検時に、充填ガスを大気開放する際にＣＯガスを吸気する可能性があり、現状ではＣＯガスの排出場所や排出方向を限定するか、もしくはＣＯガスを回収するかしなければならず、ガス交換や保守点検の作業効率がＳＦ_６ガス遮断器と比較して改善されないという課題が生じた。

従来、合成ゼオライトを吸着剤として用いることで、電流開閉後の充填ガス中に浮遊しているＳＦ_６分解ガスに対しては吸着・分離することが可能であったが、絶縁ガスとしてＣＯ_２ガスをＳＦ_６ガスの代わりに適用した場合、これらゼオライトは絶縁ガスであるＣＯ_２を吸着してしまい、ＣＯを十分取り除くことができないという問題がある。

内井、河野、中本、溝口、「消弧媒体としてのＣＯ２ガスの基礎特性と実規模モデル遮断器による熱的遮断性能の検証」、電気学会論文Ｂ、１２４巻、３号、ｐｐ．４６９〜４７５、２００４年

本発明は、消弧性ガスとしてＣＯ_２ガスを用いた電力用ガス絶縁機器において、ＣＯ_２ガスの還元により発生したＣＯガスを除去し、安全に点検保守を実施できる環境調和型の電力用ガス絶縁機器を提供することを目的とする。

実施形態の電力用ガス絶縁機器は、消弧性ガスとして二酸化炭素ガス又は二酸化炭素ガスを含む混合ガスを充填された密閉容器内において、対向配置された固定接触子部及び可動接触子部を具える。前記固定接触子部は、固定アーク接触子と、この固定アーク接触子の外方に配設された固定通電接触子と、前記固定アーク接触子及び前記固定通電接触子間を電気的に接続するとともに、これら接触子を支持するための導電性支持部材とを有する。前記可動接触子部は、前記固定アーク接触子に対して摺動可能に配設された可動アーク接触子と、この可動アーク接触子の外方において、絶縁ノズルを介して前記固定アーク接触子と摺動可能に配設された可動通電接触子と、前記可動アーク接触子の後方端と結合するようにして配設され、後方端において開口部が形成された中空の操作ロッドと、前記操作ロッドの外方に配設され、前記可動通電接触子及び前記絶縁ノズルを支持するように配設された、前記固定接触子部と反対側の一端が開放されたシリンダと、このシリンダの開放された端部から前記シリンダ及び前記操作ロッド間で形成された空隙中に摺動可能に挿入され、前記シリンダ及び前記操作ロッドとともに熱圧縮室を画定するように配設されたピストンとを有する。前記固定通電接触子部及び前記可動接触子部の、アーク放電に伴う熱流が接触する箇所には、金属酸化物が配設されている。

実施形態におけるガス遮断器の概略構成を示す断面図である。

図１は、実施形態の電力用ガス絶縁機器の一例として、主に高電圧系統において事故電流を遮断するために使用されているパッファ形ガス遮断器の断面構造図である。なお、図１の各部品は概ね同軸円筒形状であり、図１においては、電流遮断動作中の状態を示している。

図１に示すパッファ形ガス遮断器１は、接地された金属や碍子などからなる密閉容器２を有している。密閉容器２内には、電気絶縁媒体及びアーク消弧媒体として二酸化炭素（ＣＯ_２）ガス又はＣＯ_２ガスを主体とする混合ガス１ａが充填されている。なお、ＣＯ_２ガスと混合するガスとしては、窒素ガスや不活性ガスなどの非反応性ガスを挙げることができる。

密閉容器２内には、固定アーク接触子３ａと、この固定アーク接触子３ａの外方に配設された固定通電接触子３ｂと、固定アーク接触子３ａ及び固定通電接触子３ｂ間を電気的に接続するとともに、これら接触子を支持するための導電性支持部材３ｃとで構成される固定接触子部３が支持絶縁物７を介して絶縁固定される。

また、絶縁ノズル４ａと、固定アーク接触子３ａに対して摺動可能に配設された可動アーク接触子４ｂと、この可動アーク接触子４ｂの外方において、絶縁ノズル４ａを介して固定アーク接触子３ａと摺動可能に配設された可動通電接触子４ｃと、可動アーク接触子４ｂの後方端と結合するようにして配設され、後方端において開口部が形成された中空の操作ロッド４ｄと、操作ロッド４ｄの外方に配設され、絶縁ノズル４ａ及び可動通電接触子４ｃを支持するように配設された、固定接触子部３と反対側の一端が開放されたシリンダ４ｅと、このシリンダ４ｅの開放された端部からシリンダ４ｅ及び操作ロッド４ｄ間で形成された空隙中に摺動可能に挿入され、シリンダ４ｅ及び操作ロッド４ｄとともに熱圧縮室を画定するように配設されたピストン４ｆとで構成される可動接触子部４が、固定接触子部３に対向して設置される。

なお、絶縁ノズル４ａは耐アーク性の高い絶縁物であるポリテトラフルオロエチレン等から構成する。

電流は通電導体１０と図示してないブッシングを介して外部に引き出される。通電導体１０は、スペーサ１１により絶縁支持されると同時に、密閉容器２内のガス空間の領域も当該スペーサ１１により区分される。可動接触子部４の可動性は、操作ロッド４ｄが、支持絶縁物７を介して、駆動装置８内の可動部に連結されることにより達成される。

また、密閉容器２に配設された固定接触子部３及び可動接触子部４の、アーク放電６に伴う熱流が接触する箇所には、金属酸化物が配設されている。具体的には、以下のパッファ形ガス遮断器１の運転方法で説明するように、ガス流９によって移送されるアーク放電６の熱流が接触することによって、当該接触部の温度が２００℃以上となるような箇所に金属酸化物を配設する。図１に示すパッファ形ガス遮断器１では、多くの場合、固定アーク接触子３ａ、導電性支持部材３ｃ、絶縁ノズル４ａ及びピストン４ｆの少なくとも一つが相当する。

特に固定アーク接触子３ａでは、アーク放電６に近接（接触）した先端部３ｄがアーク放電６の熱流と接触することにより、２００℃以上の高温となりやすく、ピストン４ｆでも、アーク放電６に近接した溝部４ｇがアーク放電６の熱流と接触することにより、２００℃以上の高温となりやすい。

なお、金属酸化物の配設方法は、アーク放電６の熱流が接触する箇所自体を金属酸化物で構成する方法や、当該箇所を金属酸化物のカバー材で被覆する方法、当該箇所を金属酸化物の膜で被覆する方法などを挙げることができる。

アーク放電６の熱流が接触する箇所自体を金属酸化物で構成する場合は、金属酸化物の粉末を当該箇所、例えば固定アーク接触子３ａ等の大きさ、形状等に合致した空間が形成されるような成形型を用い、当該成形型に金属酸化物の粉末を充填し、所定温度で焼結することにより得ることができる。また、上記箇所を被覆するカバー材についても、上記同様に上記箇所、例えば固定アーク接触子３ａ等の外形寸法に合致した空間が形成されるような成形型を用い、当該成形型に金属酸化物の粉末を充填し、所定温度で焼結することにより上記カバー材を得、当該カバー材を上記箇所に嵌合等することによって形成する。さらに、上記箇所を膜で被覆する場合は、上記箇所、例えば固定アーク接触子３ａ等に対して金属酸化物のターゲットを用い、スパッタリング法等で膜付する。

また、金属酸化物は、以下のパッファ形ガス遮断器１の運転方法で説明するように、ＣＯ_２ガスの還元によって生成したＣＯガスと反応させることにより、当該ＣＯガスをＣＯ_２ガスに転化できる、すなわち酸化剤として機能するものであれば特に限定されるものではないが、例えば、酸化マンガン（ＭｎＯ_２）、酸化コバルト（ＣｏＯ，ＣｏＯ_２）、酸化銅（ＣｕＯ）、五酸化バナジウム（Ｖ_２Ｏ_５）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、酸化ロジウム（Ｒｈ_２Ｏ_３）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ_２）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）、及び酸化モリブデン（ＭｏＯ_２）からなる群より選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。

上述した金属酸化物は、深さ１ｎｍ以内にあるＣＯガスとの反応に関与する酸素原子数が、アーク放電６により発生するＣＯガスの分子数と同等以上存在する量であることが推定されるため、生成したＣＯガスの総てをＣＯ_２ガスに転化することができ、ＣＯガスの残留量を著しく低減することができる。また、融点や分解温度が５００℃以上であるので熱的に安定であり、これら金属酸化物をアーク放電６に起因した熱流が接触する箇所に配設したとしても、当該熱流が接触する以前にこれら金属酸化物が分解等することにより、ＣＯガスのＣＯ_２ガスへの転化が阻害されるようなことがない。

次に、図１に示すガス遮断器１の動作について説明する。
固定アーク接触子３ｂ及び可動アーク接触子４ｂは遮断器投入時では接触導通状態にあり、遮断動作時においては相対移動により開離するとともに、両接触子３ｂ、４ｂ間に遮断アーク放電６が発生する。

次いで、固定されているピストン４ｆがパッファシリンダ４ｅの内部空間を圧縮して同部の圧力を上昇させる。そして、パッファシリンダ４ｅ内に存在するＣＯ_２ガス１ａが高圧力のガス流となり、ノズル４ａによって整流された後、アーク接触子３ｂ、４ｂ間に発生したアーク放電６に対して吹付けられる。これにより、アーク接触子３ｂ、４ｂ間に発生した導電性のアーク放電６は消滅し電流は遮断される。アーク放電６に吹付けられたガスはガス流９となり固定接触子部３内部を通過し、密閉容器２内に放散される。

ＣＯ_２ガス中でアーク放電６が生じた場合、本来絶縁ガスとして存在すべきＣＯ_２ガスの量が減少し、代わりに分解ガスであるＣＯガスが増大するが、本実施形態では、密閉容器２に配設された固定接触子部３及び可動接触子部４の、アーク放電６に伴う熱流が接触する箇所、具体的には、固定アーク接触子３ａ、導電性支持部材３ｃ、絶縁ノズル４ａ及びピストン４ｆの少なくとも一つに金属酸化物が配設されている。これらの箇所は、ガス流９によって移送されるアーク放電６の熱流が接触することによって、当該接触部の温度が２００℃以上となるので、金属酸化物が酸化剤として機能することにより、例えば以下のような反応式に基づいて、ＣＯガスがＣＯ_２ガスに転化されるようになる。
ＭｎＯ_２＋２ＣＯ→Ｍｎ＋２ＣＯ_２

したがって、消弧性ガスとしてＣＯ_２ガスを使用した場合において、当該ＣＯ_２ガスが還元されることによりＣＯガスが生成されるような場合においても、当該ＣＯガスは金属酸化物によって直ちに酸化され、ＣＯ_２ガスに転化されるようになる。この結果、密閉容器２中にはＣＯガスが残存しないようになるので、内部点検等の充填ガス開放時に人体に危険を及ぼす恐れを回避することができる。

すなわち、本実施形態では、消弧性ガスとしてＣＯ_２ガスを用いた電力用ガス絶縁機器において、ＣＯ_２ガスの還元により発生したＣＯガスを除去し、安全に点検保守を実施できる環境調和型の電力用ガス絶縁機器を提供することができる。

なお、ＣＯ_２ガスの還元によって発生した酸素（Ｏ_２）ガスは、例えば密閉容器２内の、金属類、特に銅や鉄を酸化させＣｕＯやＦｅＯなどの酸化物となる。

本実施形態では、電力用ガス絶縁機器の一例として、パッファ形ガス遮断器について説明したが、絶縁ガスとしてＣＯ_２ガスを用いるガス絶縁開閉装置、ガス断路器、ガス絶縁変圧器、ガス絶縁送電管などの電力用ガス絶縁機器に対して適用することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として掲示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ パッファ形ガス遮断器
１ａ ＣＯ_２ガス若しくはＣＯ_２ガスを主体とする混合ガス
２ 密閉容器
３ 固定接触子部
３ａ 固定通電部
３ｂ 固定アーク接触子
３ｃ 固定通電接触子
４ 可動接触子部
４ａ 絶縁ノズル
４ｂ 可動アーク接触子
４ｃ 通電接触子
４ｄ パッファシリンダ
４ｆ ピストン
６ アーク放電
７ 支持絶縁物
８ 操作機構
９ ガス流
１０ 通電導体
１１ 絶縁スペーサ

Claims (6)

1. 消弧性ガスとして二酸化炭素ガス又は二酸化炭素ガスを含む混合ガスを充填された密閉容器内において、対向配置された固定接触子部及び可動接触子部を具え、
   前記固定接触子部は、固定アーク接触子と、この固定アーク接触子の外方に配設された固定通電接触子と、前記固定アーク接触子及び前記固定通電接触子間を電気的に接続するとともに、これら接触子を支持するための導電性支持部材とを有し、
   前記可動接触子部は、前記固定アーク接触子に対して摺動可能に配設された可動アーク接触子と、この可動アーク接触子の外方において、絶縁ノズルを介して前記固定アーク接触子と摺動可能に配設された可動通電接触子と、前記可動アーク接触子の後方端と結合するようにして配設され、後方端において開口部が形成された中空の操作ロッドと、前記操作ロッドの外方に配設され、前記可動通電接触子及び前記絶縁ノズルを支持するように配設された、前記固定接触子部と反対側の一端が開放されたシリンダと、このシリンダの開放された端部から前記シリンダ及び前記操作ロッド間で形成された空隙中に摺動可能に挿入され、前記シリンダ及び前記操作ロッドとともに熱圧縮室を画定するように配設されたピストンとを有し、
   前記固定通電接触子部及び前記可動接触子部の、前記アーク放電に伴う熱流が接触する箇所において、金属酸化物が配設されたことを特徴とする、電力用ガス絶縁機器。
2. 前記接触箇所は、固定アーク接触子、導電性支持部材、絶縁ノズル及び前記ピストンの少なくとも一つであることを特徴とする、請求項１に記載の電力用ガス絶縁機器。
3. 前記金属酸化物は、酸化マンガン、酸化コバルト、酸化銅、五酸化バナジウム、酸化ニッケル、酸化鉄、酸化ロジウム、酸化ルテニウム、酸化スズ、及び酸化モリブデンからなる群より選ばれる少なくとも１種の酸化物であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電力用ガス絶縁機器。
4. 消弧性ガスとして二酸化炭素ガス又は二酸化炭素ガスを含む混合ガスを充填された密閉容器内において、対向配置された固定接触子部及び可動接触子部を具え、
   前記固定接触子部は、固定アーク接触子と、この固定アーク接触子の外方に配設された固定通電接触子と、前記固定アーク接触子及び前記固定通電接触子間を電気的に接続するとともに、これら接触子を支持するための導電性支持部材とを有し、
   前記可動接触子部は、前記固定アーク接触子に対して摺動可能に配設された可動アーク接触子と、この可動アーク接触子の外方において、絶縁ノズルを介して前記固定アーク接触子と摺動可能に配設された可動通電接触子と、前記可動アーク接触子の後方端と結合するようにして配設され、後方端において開口部が形成された中空の操作ロッドと、前記操作ロッドの外方に配設され、前記可動通電接触子及び前記絶縁ノズルを支持するように配設された、前記固定接触子部と反対側の一端が開放されたシリンダと、このシリンダの開放された端部から前記シリンダ及び前記操作ロッド間で形成された空隙中に摺動可能に挿入され、前記シリンダ及び前記操作ロッドとともに熱圧縮室を画定するように配設されたピストンとを有する電力用ガス絶縁機器の運転方法であって、
   前記固定通電接触子部及び前記可動接触子部の、前記アーク放電に伴う熱流が接触する箇所において金属酸化物を配設し、前記消弧性ガスが還元されて生成した一酸化炭素ガスを前記金属酸化物と反応させて二酸化炭素に転化することを特徴とする、電力用ガス絶縁機器の運転方法。
5. 前記接触箇所は、固定アーク接触子、導電性支持部材、絶縁ノズル及び前記ピストンの少なくとも一つであることを特徴とする、請求項４に記載の電力用ガス絶縁機器の運転方法。
6. 前記金属酸化物は、酸化マンガン、酸化コバルト、酸化銅、五酸化バナジウム、酸化ニッケル、酸化鉄、酸化ロジウム、酸化ルテニウム、酸化スズ、及び酸化モリブデンからなる群より選ばれる少なくとも１種の酸化物であることを特徴とする、請求項４又は５に記載の電力用ガス絶縁機器の運転方法。

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